什么是SiC和GaN?它有什么作用?SiC和GaN被稱為“寬禁帶半導(dǎo)體”(WBG)，因?yàn)閷⑦@些材料的電子從價(jià)帶擴(kuò)散到導(dǎo)帶所需的能量為：在硅中，該能量為1.1eV， SiC(碳化硅)為3.3eV，GaN(氮化鎵)為3.4eV。這導(dǎo)致較高的適用擊穿電壓，在某些應(yīng)用中可以達(dá)到1200至1700V。由于使用了生產(chǎn)工藝，WBG設(shè)備顯示出以下優(yōu)勢(shì)：

極低的內(nèi)部電阻，與硅等效器件相比，效率最高可提高70%。低電阻可改善熱性能(隨著最高工作溫度的增加)和散熱，以及可實(shí)現(xiàn)的功率密度的優(yōu)化散熱允許使用更簡(jiǎn)單的封裝，與硅等效器件相比，尺寸大大減小，重量更輕;非常短的關(guān)斷時(shí)間(對(duì)于GaN而言接近零)允許使用非常高的開(kāi)關(guān)頻率，同時(shí)達(dá)到較低的溫度。

WBG設(shè)備可以制造經(jīng)典電力電子設(shè)備中使用的所有類(lèi)型的設(shè)備。此外，經(jīng)典的Si器件已在許多應(yīng)用領(lǐng)域中達(dá)到其極限。在這些前提下，很明顯，WBG技術(shù)對(duì)于電力電子的未來(lái)至關(guān)重要，并且為各種應(yīng)用領(lǐng)域中的新可能性奠定了基礎(chǔ)。

SiC和GaN的區(qū)別

根據(jù)應(yīng)用類(lèi)型所需的功率和頻率性能，硅和新型WBG兩種類(lèi)型的設(shè)備都有其市場(chǎng)份額。

盡管在概念上存在相似之處，但SiC和GaN組件無(wú)法相互互換，但會(huì)根據(jù)其運(yùn)行系統(tǒng)內(nèi)的使用參數(shù)而有所不同。

特別是，SiC器件可以承受更高的電壓，最高可達(dá)1200V甚至更高，而GaN器件可以承受更低的電壓和功率密度。另一方面，由于GaN器件的關(guān)斷時(shí)間幾乎為零(高電子遷移率，因此dV / dt大于MOSFET Si的50V / s，因此dV / dt大于100V / s)，因此這些器件可以用于高頻應(yīng)用，具有空前的效率和性能。這種理想的正特性可能會(huì)帶來(lái)不便：如果組件的寄生電容不接近零，則可能會(huì)產(chǎn)生數(shù)十安培的電流尖峰，這可能會(huì)導(dǎo)致電磁兼容性測(cè)試階段出現(xiàn)問(wèn)題。

SiC在使用的封裝上具有更多優(yōu)勢(shì)，這是因?yàn)榭梢圆捎肨O-247和TO-220，從而可以用新的SiC快速替換IGBT和MOSFET，而GaN可以在SMD封裝中提供更好的結(jié)果(重量更輕，小但降級(jí)到新項(xiàng)目)。

另一方面，對(duì)于兩種類(lèi)型的器件來(lái)說(shuō)，共同的挑戰(zhàn)與柵極驅(qū)動(dòng)器的設(shè)計(jì)和構(gòu)造有關(guān)，該驅(qū)動(dòng)器能夠充分利用特定于組件的特性，同時(shí)要注意寄生組件(為了避免性能變差，必須將寄生組件最小化)和適用電壓水平(希望與用于驅(qū)動(dòng)傳統(tǒng)硅組件的電壓相似)。

就成本而言，SiC器件現(xiàn)在更便宜，更受歡迎，這也是因?yàn)樗鼈兪窃贕aN之前制造的。但是，不難想象，成本僅與生產(chǎn)過(guò)程以及市場(chǎng)需求部分相關(guān)，這就是為什么市場(chǎng)價(jià)格可能趨于平緩的原因。

由于GaN襯底的生產(chǎn)成本較高，因此使用GaN“通道”的設(shè)備具有Si襯底。最近幾個(gè)月，瑞典林雪平大學(xué)與衍生出來(lái)的SweGaN合作，進(jìn)行了一些研究，這些研究遵循了使用SiC襯底和新的晶圓生長(zhǎng)工藝(稱為變質(zhì)異質(zhì)外延，可防止結(jié)構(gòu)缺陷的存在)的想法 ，從而獲得可與SiC器件相比的最大電壓，但能夠以GaN的頻率在Si上工作。這項(xiàng)研究還強(qiáng)調(diào)了采用這種機(jī)制如何能夠改善熱量管理，3kV以上的垂直擊穿電壓以及與今天的解決方案相比處于ON狀態(tài)的電阻小于一個(gè)數(shù)量級(jí)。

應(yīng)用程序和市場(chǎng)

WBG設(shè)備的應(yīng)用領(lǐng)域仍然是一個(gè)小眾市場(chǎng)，研發(fā)人員仍然需要更好地了解如何最大限度地發(fā)揮他們的潛力。最大的新技術(shù)市場(chǎng)是二極管市場(chǎng)，但WBG預(yù)計(jì)將在未來(lái)5年內(nèi)淹沒(méi)晶體管市場(chǎng)。

目前已經(jīng)開(kāi)始假設(shè)了可能的應(yīng)用，預(yù)測(cè)顯示，電力移動(dòng)、電信和消費(fèi)市場(chǎng)是最有可能的。

根據(jù)銷(xiāo)售預(yù)測(cè)，利潤(rùn)最豐厚的市場(chǎng)將是一個(gè)涉及電遷移和自動(dòng)駕駛車(chē)輛,世行集團(tuán)將用于逆變器、車(chē)載充電設(shè)備(OBC)和防撞系統(tǒng)(激光雷達(dá))，這是顯而易見(jiàn)的，給定的熱特性和效率與請(qǐng)求相匹配的新設(shè)備，優(yōu)化蓄電池的性能。

在電信方面，5G的作用將成為世界銀行集團(tuán)的驅(qū)動(dòng)力。世界銀行集團(tuán)要安裝的數(shù)百萬(wàn)個(gè)基站將需要更高的能源效率，它們的體積也會(huì)更小、更輕，性能會(huì)有顯著提升，成本也會(huì)大幅降低。

消費(fèi)者市場(chǎng)也將大量使用新設(shè)備。無(wú)線電源和充電設(shè)備將主要受到影響，因?yàn)橐苿?dòng)設(shè)備的日益普及和快速充電的需求。

碳化硅和氮化鎵器件

英飛凌已經(jīng)開(kāi)發(fā)了一系列的碳化硅和氮化硅MOSFET器件及其驅(qū)動(dòng)程序，CoolSiC和CoolGaN系列。值得注意的是FF6MR12W2M1_B11網(wǎng)格模塊,它能夠提供200 1200 v, RDS的只有6 mΩ阻力。該模塊配備了兩個(gè)SiC mosfet和一個(gè)NTC溫度傳感器，適用于UPS和電機(jī)控制應(yīng)用，考慮到效率和散熱(圖1)。

在Microsemi catalog(現(xiàn)在的微芯片技術(shù))中也有類(lèi)似的解決方案，使用SP6LI器件族的Phase Leg SiC MOSFET模塊，允許電壓高達(dá)1700V，電流大于200A;AlN基片保證了更好的熱管理，兩個(gè)SiC肖特基二極管允許增加開(kāi)關(guān)頻率。

Wolfspeed公司生產(chǎn)的CAB450M12XM3半橋式裝置能夠控制高達(dá)1200V的電壓和450A的電流，由于使用了第三代mosfet和SiN襯底，所以可以在175°C的連續(xù)模式下工作。

當(dāng)我們看一看GaN世界，很明顯，可用的設(shè)備種類(lèi)是有限的。GanSystem在其產(chǎn)品目錄中提供了GS-065-150-1-D，這是一種利用Island專利技術(shù)的晶體管，能夠在超過(guò)10MHz的開(kāi)關(guān)頻率下管理高達(dá)650V和150A。最后，Transphorm的TP90H050WS FET將在2020年中期見(jiàn)光，它正在使用TO-247封裝的GaN器件上工作，其工作電壓可達(dá)900V，上升和下降時(shí)間約為10nS(圖2)。以上就是SiC和GaN的解析，希望能給大家?guī)椭?